Una panoramica sul power design con dispositivi DC-DC Digital

La domanda per i dispositivi portatili è cresciuta significativamente negli ultimi anni. I dispositivi portatili solitamente includono una varietà di carichi, tra cui display LCD, Universal Serial Bus (USB), dischi rigidi. Questi carichi sono alimentati da batterie ricaricabili come quelle agli ioni di litio (Li-Ion) e richiedono diverse tensioni di funzionamento e correnti di carico. La progettazione di sistemi di alimentazione prevede una serie di compromessi tra fattori di design, quali dimensioni, costi, efficienza e prestazioni transitorie da carico. In generale, per progettare lo stadio di alimentazione è necessario identificare alcune caratteristiche, quali la tolleranza al transiente, la tensione di ripple e le caratteristiche del carico. Per realizzare il sistema con un maggior run-time e dimensioni ridotte, sempre più i progettisti di sistemi si stanno concentrando sul miglioramento dell'efficienza della conversione di potenza con topologie circuitali avanzate attraverso una migliore gestione delle caratteristiche della batteria. A tale riguardo, le tecniche di controllo digitale nella conversione energetica stanno ricevendo particolare attenzione. In questo articolo analizzeremo attraverso una panoramica generale, i  fattori chiave di power design e i dispositivi dc-dc digital come, per esempio, il ZL6105 della Intersil.

Introduzione

Nel power design l'elemento chiave è rappresentato dal ripple, ovvero  una piccola variazione periodica residua indesiderata della corrente continua (DC) in uscita ad un alimentatore. Ciò è dovuto alla soppressione incompleta della forma d'onda alternata all'interno dell'alimentatore. Oltre a questo fenomeno tempo-variante, c'è un ripple nel dominio della frequenza che si pone in alcune classi di filtro e reti di elaborazione del segnale. In questo caso la variazione periodica è una variazione della perdita di inserzione della rete in funzione della frequenza crescente. Un altro parametro è il DCR, la resistenza CC di un induttore, ovvero la quantità di resistenza che un induttore ha per segnali con frequenze vicino a 0 Hz. Il DCR di un induttore, misurata in corrente continua, è normalmente molto piccolo e vanno da meno di 1/100 Ω a qualche ohm (di solito non superiore a 4 Ω). La progettazione dello stadio di alimentazione necessita l'identificazione di alcune caratteristiche, in particolare la tolleranza al transiente e la caratteristica di carico (intervallo di impedenza). La risposta transitoria è un buon indicatore del livello di prestazioni di un alimentatore. E' una misura di quanto bene una corrente continua affronta i cambiamenti  di impedenza del carico.  L'efficienza è un parametro critico di progettazione nell'ingegneria dell'alimentazione. In una semplice commutazione step-down (convertitore buck) per un dispositivo portatile, per esempio, il progettista ha come goal quello di abbassare la tensione  ad un livello adeguato ma, nello stesso tempo, non vuole sprecare millivolt preziosi durante il processo di conversione.  La Linear Technology, per esempio, offre l'LTC3549, un regolatore buck 2.25 MHz per applicazioni portatili. Il dispositivo fornisce una corrente di uscita di 250 mA (con una tensione di ingresso di 1.8 V e una tensione di uscita di 1,2 V) e un'efficienza fino al 93 %. Un altro esempio di un regolatore buck ad alta efficienza è ISL8009A della Intersil. Questo chip è un dispositivo sincrono in grado di fornire fino a 1,5 A di corrente di uscita.  La spinta incessante di efficienza ha portato il design di alimentazione a rimanere radicata nel dominio analogico per molti anni.  I miglioramenti nel consumo di energia dei componenti digitali, sia a seguito di miglioramenti nelle tecniche di fabbricazione CMOS e nuove architetture digitali avanzate,  hanno ristretto il trade-off tra controllo e perdita di efficienza. Oggi, gli ingegneri possono sfruttare i vantaggi di design di alimentazione e controllo digitale migliorando l'efficienza di un stadio di alimentazione.

Flusso di progettazione

La richiesta di fornire funzioni sofisticate di gestione dell'alimentazione, insieme con il desiderio di ridurre lo spazio a bordo e il numero di componenti esterni, hanno portato i progettisti  ad utilizzare negli ultimi anni tecniche digitali. I convertitori DC-DC con frequenze di commutazione veloci stanno diventando popolari grazie alle loro capacità di diminuire le dimensioni dei componenti esterni quali il condensatore e l'induttore di uscita, al fine di risparmiare lo spazio sulla scheda. 

L'efficienza (Figura 1) di un convertitore DC / DC è uno degli attributi più importanti da considerare quando si progetta un alimentatore. La scarsa efficienza si traduce in una maggiore dissipazione di potenza che deve essere gestita in maniera opportuna. Frequenze di switching più basse riducono le perdite di commutazione, mentre le alte frequenze offrono prestazioni migliori con una risposta più rapida ai transienti (Figura 2).

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Figura 1: Efficienza di un DC-DC in funzione della frequenza di switching

figura2

Figura 2: Tabella comparativa per diverse frequenze di switching

 

Possiamo scegliere per esempio una frequenza di commutazione di 615 kHz, superiore alla più comune di 300-400 kHz, per aumentare le prestazioni di risposta transitoria.
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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 13 febbraio 2016

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